第4单元 动量 动量守恒定律

第4单元动量动量守恒定律【内容和方法】本单元内容包括动量、冲量、反冲等基本概念和动量定理、动量守恒定律等基本规律。

冲量是物体间相互作用一段时间的结果，动量是描述物体做机械运动时某一时刻的状态量，物体受到冲量作用的结果，将导致物体动量的变化。

冲量和动量都是矢量，它们的加、减运算都遵守矢量的平行四边形法则。

本单元中所涉及到的基本方法主要是一维的矢量运算方法，其中包括动量定理的应用和动量守定律的应用，由于力和动量均为矢量。

因此，在应用动理定理和动量守恒定律时要首先选取正方向，与规定的正方向一致的力或动量取正值，反之取负值而不能只关注力或动量数值的大小；另外，理论上讲，只有在系统所受合外力为零的情况下系统的动量才守恒，但对于某些具体的动量守恒定律应用过程中，若系统所受的外力远小于系统内部相互作用的内力，则也可视为系统的动量守恒，这是一种近似处理问题的方法。

【典型易错题分析】在本单元知识应用的过程中，初学者常犯的错误主要表现在：只注意力或动量的数值大小，而忽视力和动量的方向性，造成应用动量定理和动量守恒定律一列方程就出错；对于动量守恒定律中各速度均为相对于地面的速度认识不清。

对题目中所给出的速度值不加分析，盲目地套入公式，这也是一些学生常犯的错误。

例1 、从同样高度落下的玻璃杯，掉在水泥地上容易打碎，而掉在草地上不容易打碎，其原因是：【】A．掉在水泥地上的玻璃杯动量大，而掉在草地上的玻璃杯动量小B．掉在水泥地上的玻璃杯动量改变大，掉在草地上的玻璃杯动量改变小C．掉在水泥地上的玻璃杯动量改变快，掉在草地上的玻璃杯动量改变慢D．掉在水泥地上的玻璃杯与地面接触时，相互作用时间短，而掉在草地上的玻璃杯与地面接触时间长。

【错解分析】错解：选B。

认为水泥地较草地坚硬，所以给杯子的作用力大，由动量定理I=△P，即F·t =△P，认为F大即△P，大，所以水泥地对杯子的作用力大，因此掉在水泥地上的动量改变量大，所以，容易破碎。

【正确解答】设玻璃杯下落高度为h。

它们从h高度落地瞬间的量变化快，所以掉在水泥地上杯子受到的合力大，冲力也大，所以杯子所以掉在水泥地受到的合力大，地面给予杯子的冲击力也大，所以杯子易碎。

正确答案应选C，D。

【小结】判断这一类问题，应从作用力大小判断入手，再由动量大，而不能一开始就认定水泥地作用力大，正是这一点需要自己去分析、判断。

例2 、把质量为10kg的物体放在光滑的水平面上，如图5－1所示，在与水平方向成53°的N的力F作用下从静止开始运动，在2s内力F对物体的冲量为多少？物体获得的动量是多少？【错解分析】错解一：2s内力的冲量为设物体获得的动量为P2，由动量定理对冲量的定义理解不全面，对动量定理中的冲量理解不够。

错解一主要是对冲量的概念的理解，冲最定义应为“力与力作用时间的乘积”，只要题目中求力F的冲量，就不应再把此力分解。

这类解法把冲量定义与功的计算公式W=Fcosa·s 混淆了。

错解二主要是对动量定理中的冲量没有理解。

实际上动量定理的叙述应为“物体的动量改变与物体所受的合外力的冲量相等”而不是“与某一个力的冲量相等”，此时物体除了受外力F的冲量，还有重力及支持力的冲量。

所以解错了。

【正确解答】首先对物体进行受力分析：与水平方向成53°的拉力F，竖直向下的重力G、竖直向上的支持力N。

由冲量定义可知，力F的冲量为：I F = F·t = 10×2=10(N·s)因为在竖直方向上，力F的分量Fsin53°，重力G，支持力N的合力为零，合力的冲量也为零。

所以，物体所受的合外力的冲量就等干力F在水平方向上的分量，由动量定理得：Fcos53°·t = P2－0所以P2= Fcos53°·t =10×0.8×2(kg·m/s)P2=16kg·m/s【小结】对于物理规律、公式的记忆,要在理解的基础上记忆，要注意弄清公式中各物理量的含量及规律反映的物理本质，而不能机械地从形式上进行记忆。

另外，对于计算冲量和功的公式、动能定理和动量定理的公式，由于它们从形式上很相似，因此要特别注意弄清它们的区别。

例3、在距地面高为h，同时以相等初速V0分别平抛，竖直上抛，竖直下抛一质量相等的物体m，当它们从抛出到落地时，比较它们的动量的增量△P，有【】A．平抛过程较大B．竖直上抛过程较大C．竖直下抛过程较大D．三者一样大【错解分析】错解一：根据机械能守恒定律，抛出时初速度大小相等，落地时末速度大小也相等，它们的初态动量P1= mv0。

是相等的，它们的末态动量P2= mv也是相等的，所以△P = P2－P1则一定相等。

选D。

错解二：从同一高度以相等的初速度抛出后落地，不论是平抛、竖直上抛或竖直下抛，因为动量增量相等所用时间也相同，所以冲量也相同，所以动量的改变量也相同，所以选D。

错解一主要是因为没有真正理解动量是矢量，动量的增量△P=P2=P1也是矢量的差值，矢量的加减法运算遵从矢量的平行四边形法则，而不能用求代数差代替。

平抛运动的初动量沿水平方向，末动量沿斜向下方；竖直上抛的初动量为竖直向上，末动量为竖直向下，而竖直下抛的初末动量均为竖直向下。

这样分析，动量的增量△P就不一样了。

方向，而动量是矢量，有方向。

从运动合成的角度可知，平抛运动可由一个水平匀速运动和一个竖直自由落体运动合成得来。

它下落的时间由为初速不为零，加速度为g的匀加速度直线运动。

竖直下抛落地时间t3＜t1，所以第二种解法是错误的。

【正确解答】1．由动量变化图5－2中可知，△P2最大，即竖直上抛过程动量增量最大，所以应选B。

【小结】对于动量变化问题，一般要注意两点：(1)动量是矢量，用初、末状态的动量之差求动量变化，一定要注意用矢量的运算法则，即平行四边形法则。

(2)由于矢量的减法较为复杂，如本题解答中的第一种解法，因此对于初、末状态动量不在一条直线上的情况，通常采用动量定理，利用合外力的冲量计算动量变化。

如本题解答中的第二种解法，但要注意，利用动量定理求动量变化时，要求合外力一定为恒力。

例4、向空中发射一物体．不计空气阻力，当物体的速度恰好沿水平方向时，物体炸裂为a,b两块．若质量较大的a块的速度方向仍沿原来的方向则【】A．b的速度方向一定与原速度方向相反B．从炸裂到落地这段时间里，a飞行的水平距离一定比b的大C．a，b一定同时到达地面D．炸裂的过程中，a、b中受到的爆炸力的冲量大小一定相等【错解分析】错解一：因为在炸裂中分成两块的物体一个向前，另一个必向后，所以选A。

错解二：因为不知道a与b的速度谁大，所以不能确定是否同时到达地面，也不能确定水平距离谁的大，所以不选B，C。

错解三：在炸裂过程中，因为a的质量较大，所以a受的冲量较大，所以D不对。

错解一中的认识是一种凭感觉判断，而不是建立在全面分析的基础上。

事实是由于没有讲明a的速度大小。

所以，若要满足动量守恒，(m A+m B)v=m A v A＋m B v B，v B的方向也可能与v A同向。

错解二是因为没有掌握力的独立原理和运动独立性原理。

把水平方向运动的快慢与竖直方向的运动混为一谈。

错解三的主要错误在于对于冲量的概念没有很好理解。

【正确解答】物体炸裂过程发生在物体沿水平方向运动时，由于物体沿水平方向不受外力，所以沿水平方向动量守恒，根据动量守恒定律有：(m A+m B)v = m A v A＋m B v B当v A与原来速度v同向时,v B可能与v A反向，也可能与v A同向,第二种情况是由于v A 的大小没有确定，题目只讲的质量较大，但若v A很小，则m A v A还可能小于原动量(m A+m B)v。

这时,v B的方向会与v A方向一致，即与原来方向相同所以A不对。

a，b两块在水平飞行的同时，竖直方向做自由落体运动即做平抛运选项C 是正确的由于水平飞行距离x = v·t，a、b两块炸裂后的速度v A、v B不一定相等，而落地时间t 又相等，所以水平飞行距离无法比较大小，所以B不对。

根据牛顿第三定律，a，b所受爆炸力F A=－F B，力的作用时间相等，所以冲量I=F·t 的大小一定相等。

所以D是正确的。

此题的正确答案是：C，D。

【小结】对于物理问题的解答，首先要搞清问题的物理情景，抓住过程的特点(物体沿水平方向飞行时炸成两块，且a仍沿原来方向运动)，进而结合过程特点(沿水平方向物体不受外力)，运动相应的物理规律(沿水平方向动量守恒)进行分析、判断。

解答物理问题应该有根有据，切忌“想当然”地作出判断。

例5、一炮弹在水平飞行时，其动能为=800J，某时它炸裂成质量相等的两块，其中一块的动能为=625J，求另一块的动能【错解分析】错解：设炮弹的总质量为m，爆炸前后动量守恒，由动量守恒定律：P=P1＋P2代入数据得：E k=225J。

主要是只考虑到爆炸后两块的速度同向，而没有考虑到方向相反的情况，因而漏掉一解。

实际上，动能为625J的一块的速度与炸裂前炮弹运动速度也可能相反。

【正确解答】以炮弹爆炸前的方向为正方向，并考虑到动能为625J的一块的速度可能为正．可能为负，由动量守恒定律：P＝P1＋P2解得：=225J或4225J。

正确答案是另一块的动能为225J或4225J。

【小结】从上面答案的结果看，炮弹炸裂后的总动能为(625＋225)J=850J或(625＋4225)J=4850J。

比炸裂前的总动能大，这是因为在爆炸过程中，化学能转化为机械能的缘故。

例6、如图5－3所示，一个质量为M的小车置于光滑水平面。

一端用轻杆AB固定在墙上，一个质量为m的木块C置于车上时的初速度为v0。

因摩擦经t秒木块停下，(设小车足够长)，求木块C和小车各自受到的冲量。

【错解分析】错解：以木块C为研究对象，水平方向受到向右的摩擦力f，以v0)。

为正方向，由动量定理有：-ft = 0 = mv0所以I木= ft = mv0所以，木块C受的冲量大小为mv0，方向水平向右。

又因为小车受到的摩擦力水平向左，大小也是f(牛顿第三定律)。

所以小车受到的冲量I = ft = mv0,大小与木块受到的冲量相等方向相反，即水平向左。

车主要是因为对动量定理中的冲量理解不深入，动量定理的内容是：物体所受合外力的冲=P2－P1，等式左侧的冲量应指合外力的冲量。

量等于它的动量的变化量。

数学表达式为I合在上述解答中，求木块C受到的冲量为mv0是正确的。

因为C受到的合外力就是f (重力mg 与支持力N互相平衡)，但小车的冲量就错了。

因为小车共受5个力：重力Mg，压力N=mg，支持力N′【N′=(m＋M)g】，摩擦力f'和AB杆对小车的拉力T，且拉力T = f'，所以小车所受合力为零，合力的冲量也为零。